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CFD（Computational Fluid Dynamics，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）是一種利用計(jì)算機(jī)來(lái)解決工程流體流動(dòng)問(wèn)題的方法，具體方法是數(shù)值計(jì)算，通過(guò)計(jì)算機(jī)求解流體流動(dòng)過(guò)程中的質(zhì)量傳遞、能量傳遞、動(dòng)量傳遞以及化學(xué)反應(yīng)問(wèn)題，不受物理模型和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南拗疲″X(qián)省時(shí)，可以模擬真實(shí)條件和實(shí)驗(yàn)中很難達(dá)到的理想條件。

Fluent算得上應(yīng)用最廣泛的CFD應(yīng)用了。2006年5月，正式成為Ansys大家庭中的重要成員，共享先進(jìn)的Ansys公共CAE技術(shù)。

數(shù)值計(jì)算方法有幾個(gè)難點(diǎn)：

1、很大程度上依賴于經(jīng)驗(yàn)與技巧；

2、數(shù)值處理方法可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不真實(shí)；

3、因?yàn)樯婕按罅繑?shù)學(xué)計(jì)算，有很高的計(jì)算資源需求。隨著應(yīng)用的物理建模不斷精細(xì)，數(shù)值模擬分辨率越來(lái)越高，對(duì)計(jì)算能力的要求也越來(lái)越高。

當(dāng)求解問(wèn)題規(guī)模越來(lái)越大，網(wǎng)格數(shù)上升到幾千萬(wàn)甚至上億的時(shí)候，如何讓Fluent仿真任務(wù)在更短的時(shí)間迭代收斂呢？

面對(duì)永無(wú)止境的計(jì)算需求，我們主要發(fā)揮作用就在第三點(diǎn)上。

今天我們通過(guò)一個(gè)實(shí)證來(lái)看看具體怎么實(shí)現(xiàn)。

用戶需求

某高校實(shí)驗(yàn)室使用Ansys Fluent進(jìn)行基于化學(xué)反應(yīng)模型的CFD流體仿真，因科研項(xiàng)目需要結(jié)題，需要在一周內(nèi)完成10多個(gè)case的運(yùn)算。
該實(shí)驗(yàn)室有80核本地資源，通常情況都是單機(jī)跑，沒(méi)有集群環(huán)境。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)推斷，要完成這組任務(wù)需要花費(fèi)至少45天才能完成。

實(shí)驗(yàn)室老師也考慮過(guò)使用超算。
但一方面，超算的使用門(mén)檻比較高，且應(yīng)用需要用戶配置，無(wú)法做到開(kāi)箱即用，他們更習(xí)慣拖拉曳的圖形界面操作方式。
另一方面，該實(shí)驗(yàn)室迫切需要能夠在短時(shí)間內(nèi)使用比較大規(guī)模的算力資源，而超算沒(méi)這么快，需要等。

我們從整體規(guī)模、使用體驗(yàn)、計(jì)費(fèi)方式、商用門(mén)檻、更新周期、合作生態(tài)、云端支持七個(gè)角度對(duì)超算和云計(jì)算進(jìn)行了全方位的對(duì)比，有興趣可以看一下《國(guó)內(nèi)超算發(fā)展近40年，終于遇到了一個(gè)像樣的對(duì)手》

實(shí)證目標(biāo)

1、Fluent任務(wù)能否在云端有效運(yùn)行？
2、fastone能夠短時(shí)間內(nèi)獲取大量算力資源，大幅度縮短項(xiàng)目周期？
3、Fluent應(yīng)用的高效率并行性是否在云端同樣適用？
4、針對(duì)擅長(zhǎng)和不擅長(zhǎng)編程的用戶，fastone能否提供不同的操作方式？
5、fastone平臺(tái)能否支持實(shí)時(shí)查看殘差圖？

實(shí)證參數(shù)

平臺(tái)：
fastone企業(yè)版產(chǎn)品

應(yīng)用：
Ansys Fluent 20.20

操作系統(tǒng)：
CentOS 7.6

適用場(chǎng)景：
油/氣能量的產(chǎn)生和環(huán)境應(yīng)用
航天和渦輪機(jī)械的應(yīng)用
汽車工業(yè)的應(yīng)用
熱交換應(yīng)用
電子/HVAC應(yīng)用
材料處理應(yīng)用
建筑設(shè)計(jì)和火災(zāi)研究

云端硬件配置：
Ansys Fluent一直宣稱自己支持高效率的并行計(jì)算功能，在2016年曾聯(lián)手CRAY和HLRS超算創(chuàng)了一項(xiàng)世界記錄，將Fluent擴(kuò)展到超過(guò)172,000個(gè)計(jì)算機(jī)核心。
對(duì)于以有限單元法為基礎(chǔ)的CFD類計(jì)算，尤其是選用隱式格式和耦合算法的時(shí)候，并行計(jì)算時(shí)會(huì)將網(wǎng)格分成很多塊放在不同的計(jì)算節(jié)點(diǎn)上，在計(jì)算時(shí)每個(gè)迭代步節(jié)點(diǎn)之間需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)交換。因此，節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信就顯得尤為重要。

Fluent通過(guò)內(nèi)置MPI并行機(jī)制來(lái)大幅度提高可擴(kuò)展性，通過(guò)放大計(jì)算資源規(guī)模來(lái)最短時(shí)間給出高精度的計(jì)算結(jié)果。
而在本地或超算環(huán)境，比較有效的解決方案就是IB-Infiniband。

針對(duì)這一特性，我們分別在云端選擇了計(jì)算優(yōu)化型實(shí)例和網(wǎng)絡(luò)加強(qiáng)型實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。

調(diào)度器：
Fluent原生只支持LSF/SGE/PBS調(diào)度器，平臺(tái)通過(guò)Slurm Wrapper的方式都可以支持。
關(guān)于這一點(diǎn)，下次再細(xì)講。

這篇文章《億萬(wàn)打工人的夢(mèng)：16萬(wàn)個(gè)CPU隨你用》里，我們基于這四家主流調(diào)度器：LSF/SGE/Slurm/PBS以及它們的9個(gè)演化版本進(jìn)行了梳理和盤(pán)點(diǎn)。

技術(shù)架構(gòu)圖：

實(shí)證場(chǎng)景一
云端擴(kuò)展性驗(yàn)證
理想值 VS 云端計(jì)算優(yōu)化型實(shí)例

結(jié)論：
1、在云端使用計(jì)算優(yōu)化型實(shí)例，當(dāng)所調(diào)度資源在480核及以下時(shí)，云端擴(kuò)展性較好。
2、隨著核數(shù)逐漸增加，由于節(jié)點(diǎn)間通信開(kāi)銷指數(shù)級(jí)上升，性能的提升隨著線程數(shù)增長(zhǎng)逐漸變緩。當(dāng)核數(shù)增加到960核時(shí)，計(jì)算優(yōu)化型實(shí)例共耗時(shí)106.6小時(shí)，比理想耗時(shí)高16.6小時(shí)。

實(shí)證過(guò)程：
1、云端調(diào)度120核計(jì)算優(yōu)化型實(shí)例運(yùn)算一組Fluent任務(wù)，耗時(shí)721.8小時(shí)；
2、云端調(diào)度240核計(jì)算優(yōu)化型實(shí)例運(yùn)算一組Fluent任務(wù)，耗時(shí)362.2小時(shí)；
3、云端調(diào)度360核計(jì)算優(yōu)化型實(shí)例運(yùn)算一組Fluent任務(wù)，耗時(shí)242.4小時(shí)；
4、云端調(diào)度480核計(jì)算優(yōu)化型實(shí)例運(yùn)算一組Fluent任務(wù)，耗時(shí)183.3小時(shí)；
5、云端調(diào)度600核計(jì)算優(yōu)化型實(shí)例運(yùn)算一組Fluent任務(wù)，耗時(shí)152.1小時(shí)；
6、云端調(diào)度720核計(jì)算優(yōu)化型實(shí)例運(yùn)算一組Fluent任務(wù)，耗時(shí)130.8小時(shí)；
7、云端調(diào)度840核計(jì)算優(yōu)化型實(shí)例運(yùn)算一組Fluent任務(wù)，耗時(shí)117.3小時(shí)；
8、云端調(diào)度960核計(jì)算優(yōu)化型實(shí)例運(yùn)算一組Fluent任務(wù)，耗時(shí)106.6小時(shí)。

實(shí)證場(chǎng)景二
云端擴(kuò)展性驗(yàn)證
云端計(jì)算優(yōu)化型實(shí)例 VS 云端網(wǎng)絡(luò)加強(qiáng)型實(shí)例

結(jié)論：
1、在云端使用云端網(wǎng)絡(luò)加強(qiáng)型實(shí)例，調(diào)度960核計(jì)算資源，最多可將運(yùn)算一組Fluent任務(wù)的耗時(shí)從本地單機(jī)環(huán)境的45天縮短到90.6小時(shí)（3.775天），可滿足該實(shí)驗(yàn)室“一周內(nèi)完成”的要求；

本地計(jì)算vs云計(jì)算-960核網(wǎng)絡(luò)加強(qiáng)型實(shí)例的運(yùn)算耗時(shí)

2、網(wǎng)絡(luò)加強(qiáng)型實(shí)例有效解決了Fluent任務(wù)并行計(jì)算節(jié)點(diǎn)間通信問(wèn)題，在云上展現(xiàn)出了良好的線性擴(kuò)展性。在相同的核數(shù)下，網(wǎng)絡(luò)加強(qiáng)型實(shí)例的線性十分接近理想值。也就是說(shuō)，如果核數(shù)增加，仿真所需時(shí)間會(huì)成比例縮短。

云計(jì)算優(yōu)化型實(shí)例vs云端網(wǎng)絡(luò)加強(qiáng)型實(shí)例

實(shí)證過(guò)程：
1、云端調(diào)度120核網(wǎng)絡(luò)加強(qiáng)型實(shí)例運(yùn)算一組Fluent任務(wù)，耗時(shí)720.1小時(shí)；
2、云端調(diào)度240核網(wǎng)絡(luò)加強(qiáng)型實(shí)例運(yùn)算一組Fluent任務(wù)，耗時(shí)360.3小時(shí)；
3、云端調(diào)度360核網(wǎng)絡(luò)加強(qiáng)型實(shí)例運(yùn)算一組Fluent任務(wù)，耗時(shí)240.2小時(shí)；
4、云端調(diào)度480核網(wǎng)絡(luò)加強(qiáng)型實(shí)例運(yùn)算一組Fluent任務(wù)，耗時(shí)180.2小時(shí)；
5、云端調(diào)度600核網(wǎng)絡(luò)加強(qiáng)型實(shí)例運(yùn)算一組Fluent任務(wù)，耗時(shí)144.4小時(shí)；
6、云端調(diào)度720核網(wǎng)絡(luò)加強(qiáng)型實(shí)例運(yùn)算一組Fluent任務(wù)，耗時(shí)121.1小時(shí)；
7、云端調(diào)度840核網(wǎng)絡(luò)加強(qiáng)型實(shí)例運(yùn)算一組Fluent任務(wù)，耗時(shí)103.3小時(shí)；
8、云端調(diào)度960核網(wǎng)絡(luò)加強(qiáng)型實(shí)例運(yùn)算一組Fluent任務(wù)，耗時(shí)90.6小時(shí)。

實(shí)證場(chǎng)景三
任務(wù)提交方法
journal標(biāo)準(zhǔn)流程化模式 VS Fluent應(yīng)用圖形界面模式

我們?yōu)橛芯幊袒A(chǔ)的用戶提供journal標(biāo)準(zhǔn)流程化模式，用戶可在Web瀏覽器中直接提交已編寫(xiě)好的journal文件，開(kāi)啟云端Fluent任務(wù)，方便快捷。
而對(duì)于無(wú)編程基礎(chǔ)的用戶提供Fluent應(yīng)用圖形界面模式，用戶可通過(guò)Web瀏覽器啟動(dòng)集群，跳轉(zhuǎn)到虛擬桌面，并可在該桌面直接操作Fluent應(yīng)用進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置以開(kāi)啟云端Fluent任務(wù)。

journal標(biāo)準(zhǔn)流程化模式分為三個(gè)步驟
1、通過(guò)Web瀏覽器登錄fastone平臺(tái)；
2、在Web界面新建任務(wù)、選擇應(yīng)用、配置資源；
3、在應(yīng)用中選擇journal文件（即Fluent腳本文件），輸入所需資源和應(yīng)用參數(shù)（如求解器精度），提交任務(wù)。

該種方式要求用戶有能力自定義journal文件，即需要用戶具有一定的編程基礎(chǔ)。由于該高校科研組缺乏相應(yīng)編程能力，fastone為其提供了Fluent應(yīng)用圖形界面提交方式。

fastone云計(jì)算平臺(tái)的Fluent應(yīng)用圖形界面

Fluent應(yīng)用圖形界面模式有四個(gè)步驟
1、通過(guò)Web瀏覽器登錄fastone平臺(tái)；
2、在Web界面新建集群、配置資源；
3、在已創(chuàng)建的集群點(diǎn)擊WebVNC遠(yuǎn)程桌面圖標(biāo)（同時(shí)提供WebSSH遠(yuǎn)程命令行功能）；
4、跳轉(zhuǎn)到虛擬桌面，可在該桌面直接操作Fluent應(yīng)用進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置以提交任務(wù)。該種方式模擬出了Fluent的原生界面，用戶更為熟悉操作環(huán)境，使用體驗(yàn)較好。

平臺(tái)還支持實(shí)時(shí)查看殘差曲線，監(jiān)控計(jì)算的收斂情況。

fastone云端fluent仿真計(jì)算平臺(tái)可實(shí)時(shí)查看殘差曲線，監(jiān)控計(jì)算

實(shí)證場(chǎng)景四
用戶模式
普通用戶模式 VS 高級(jí)用戶模式

上一個(gè)場(chǎng)景里的journal標(biāo)準(zhǔn)流程化模式就是通過(guò)Web瀏覽器選擇新建任務(wù)、選擇應(yīng)用、上傳文件，輸入?yún)?shù)，配置資源等一系列向?qū)铰窂教峤蝗蝿?wù)。

而對(duì)于高級(jí)用戶，比如本身對(duì)應(yīng)用工作流的理解和編程能力超強(qiáng)，可以不用走普通用戶通過(guò)應(yīng)用向?qū)教峤坏穆窂剑梢灾苯痈鶕?jù)自己寫(xiě)的腳本，通過(guò)Web瀏覽器選擇新建集群，然后按需動(dòng)態(tài)地在云端創(chuàng)建HPC集群。

關(guān)于我們?cè)谠贫瞬渴鹱詣?dòng)化模式VS傳統(tǒng)手動(dòng)模式間的巨大差異可查看：EDA云實(shí)證Vol.1：從30天到17小時(shí)，如何讓HSPICE仿真效率提升42倍？

關(guān)于我們的Auto-Scale功能自動(dòng)監(jiān)控用戶提交的任務(wù)數(shù)量和資源的需求，動(dòng)態(tài)按需地開(kāi)啟所需算力資源，在不夠的時(shí)候，還能根據(jù)不同的用戶策略，自動(dòng)化調(diào)度本區(qū)域及其他區(qū)域的目標(biāo)類型或相似類型實(shí)例資源，看這篇：生信云實(shí)證Vol.3：提速2920倍！用AutoDock Vina對(duì)接2800萬(wàn)個(gè)分子

fastone云計(jì)算平臺(tái)-自動(dòng)調(diào)度優(yōu)先級(jí)

實(shí)證小結(jié)

1、Fluent任務(wù)能夠在云端有效運(yùn)行；
2、fastone能夠快速獲取大量云端算力，大幅縮短項(xiàng)目周期；
3、針對(duì)Fluent應(yīng)用對(duì)節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)通信的高要求，選擇網(wǎng)絡(luò)加強(qiáng)型實(shí)例可以在云端達(dá)到很好的高效率并行性；
4、針對(duì)不同的用戶，fastone提供多種任務(wù)提交方式以供選擇，既支持journal標(biāo)準(zhǔn)流程化模式，也支持Fluent應(yīng)用圖形界面模式；
5、fastone平臺(tái)支持實(shí)時(shí)查看殘差圖；
6、高級(jí)用戶可以根據(jù)自定義腳本，直接在云端創(chuàng)建HPC集群。

本次CAE行業(yè)Cloud HPC實(shí)證系列Vol.5就到這里了。
在下一期的CAE云實(shí)證中，我們將利用速石平臺(tái)使LS-DYNA模擬性能得到極大提升。

未來(lái)我們還會(huì)帶給大家更多領(lǐng)域的用云“真香”實(shí)證，請(qǐng)保持關(guān)注哦！

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